CN111279158A - 一种光栅盘及反馈系统 - Google Patents
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Abstract
一种光栅盘及反馈系统。光栅盘(200)在不同直径位置上设有主光栅(210)和靠近主光栅设置的零位光栅(220),零位光栅(220)设有2N个,2N个零位光栅(220)以光栅盘(200)中心呈均匀角度分布;其中,N为正整数。通过设计光栅盘,可配合多个编码器使用,以及设置反馈系统,增加光栅盘及编码器的检测精度和稳定性,特别是在振镜电机系统中,提高了振镜电机系统的抗偏心和漂移的能力,从而提高了振镜电机对环境的耐受性和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及振镜领域,具体涉及一种光栅盘及反馈系统,可应用在振镜电机的角度检测中。
背景技术
在当前的激光加工领域和光扫描领域,对于激光或其他扫描信号的导向控制,主要是通过一种能在一定范围或夹角内往复运动的旋转电机带动一面镜子实现。这种可以带动镜子高速高精度摆动的电机通常被称作振镜电机。此电机与普通电机有所不同,其因为不能旋转一周而只能在某角度内摆动,因此在运动过程中,主光栅的零位刻痕必须出现在编码器视野内。又因为其控制的是用于反射光线的镜片偏转角,因此对精度和响应能力有极高的要求。
由于光线通过摆动镜面的反射后,再传播一个相当长的距离才能够到达被处理或被探测表面。因此,最终光或其他信号在被测或被处理表面的定位精度与镜面摆动的精度有直接关系。又因为光从镜面到被处理表面的距离越长,镜面摆动误差的放大倍率就会越大,所以对镜面的定位精度要求也就越高。
通常情况下,振镜电机的转轴一端与反射镜直接相连,另一端与反馈电机位置的编码器直接相连。要提高反射镜的定位精度和重复精度,就要提高编码器的精度。
另外,除了编码器对反射镜转动精度的影响,转轴在运动过程中的晃动也会对反射镜的转动精度产生影响。
鉴于此,需提供一种光栅盘及反馈系统,可同时解决编码器精度和转轴径向晃动的问题,以提高反射镜的转动精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种光栅盘及反馈系统,解决现有由于转轴晃动,或者在不同温度,震动和环境的影响下,会使转轴的转动中心产生漂移,以导致反射镜的精度受到影响的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种光栅盘,所述光栅盘在不同直径位置上设有主光栅和靠近主光栅设置的零位光栅,所述零位光栅设有2N个,2N个所述零位光栅以光栅盘中心呈均匀角度分布;其中,N为正整数。
其中,较佳方案是:所述主光栅包括在一环形区域内/弧形区域内呈等宽等间距排列的多个刻痕。
其中,较佳方案是:所述零位光栅包括在一弧形区域内呈不等间隔排列的多个刻痕。
其中,较佳方案是:所述刻痕的宽度为非全相等设置。
其中,较佳方案是:所述零位光栅包括在一弧形区域内排列的多个刻痕,且所述刻痕的宽度为非全相等设置。
其中,较佳方案是:全部所述零位光栅均相同;或者,部分或全部所述零位光栅不相同。
其中,较佳方案是:所述零位光栅包括设置在不同直径位置上的第一零位光栅和第二零位光栅。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种反馈系统,应用在一旋转主体上,包括:固设在旋转主体上的光栅盘,所述光栅盘的中心与旋转主体的转轴同轴设置;2N个编码器,2N个所述编码器以光栅盘中心呈均匀角度分布,并获取对应零位光栅的位置以识别零位,以及获取主光栅的位置变化以识别旋转角度;其中,N为正整数;处理单元,获取全部编码器反馈的零位,实现对应编码器的定位;获取全部编码器反馈的旋转角度,计算平均旋转角度以确认光栅盘的实际旋转角度。
其中,较佳方案是:所述编码器的光电接收端设有零位窗口组,所述零位窗口组包括交替设置的透光窗口和不透光窗口,所述不透光窗口的位置与零位光栅的刻痕匹配。
其中,较佳方案是:部分或全部所述零位光栅不相同,每一所述编码器均与一零位光栅配对。
其中,较佳方案是:所述反馈系统还包括信号处理电路,所述信号处理电路包括依次设置的滤波模块、采样模块、运算模块和信号输出模块,所述滤波模块与编码器连接,所述处理单元与信号输出模块连接。
其中,较佳方案是:所述旋转主体为振镜电机的转轴,所述振镜电机的转轴中心与光栅盘的中心同轴设置。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,本发明通过设计光栅盘,可配合多个编码器使用,以及设置反馈系统,增加光栅盘及编码器的检测精度和稳定性,特别是在振镜电机系统中,以及提高了振镜电机系统的抗偏心和漂移的能力,从而提高了振镜电机对环境的耐受性和抗干扰能力;进一步地,可以降低装调难度,对于装调不合格的产品也更容易检出。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明光栅盘的同心度误差的原理示意图;
图2是本发明光栅盘漂移误差的原理示意图;
图3是本发明光栅盘的结构示意图;
图4是图3的A部分的放大结构示意图;
图5是本发明第一类零位光栅的结构示意图;
图6是本发明第二类零位光栅的结构示意图图;
图7是本发明第三类零位光栅的结构示意图;
图8是本发明基于四个零位光栅的光栅盘的结构示意图;
图9是本发明基于八个零位光栅的光栅盘的结构示意图;
图10是本发明反馈系统的结构示意图;
图11是本发明基于信号处理电路的反馈系统的结构示意图;
图12是本发明基于四个编码器的反馈系统的结构示意图;
图13是本发明基于八个编码器的反馈系统的结构示意图;
图14是本发明光栅盘的同心度误差补偿的原理示意图;
图15是本发明光栅盘消减漂移误差的原理示意图。
具体实施方式
现结合附图,对本发明的较佳实施例作详细说明。
本发明提供一种光栅盘及反馈系统,可解决编码器精度和转轴径向晃动的问题。
一般而言,提高编码器精度的方法有二种,一种是通过装配,调整编码器的同心度,端跳等不理想情况,使理想旋转中心与实际旋转中心尽量重合,主光栅与光电接收器的相对距离固定,可以使定位精度有所提高;但是基于一定的装调设备的前提下,其精度提高存在上限。第二种是通过增加编码器圆光栅的刻线数,增加分辨率与电子细分倍率提高整体精度。但是在光栅刻划工艺一定的前提下,增加刻线数就意味着必须增大圆光栅直径,而圆光栅直径的增加又带来了转动惯量的增加,从而影响振镜摆动的最高速度和加减速能力,因此也存在上限。所以,对于从编码器装调和设计精度方面着手提高振镜整体精度的方法,存在上限和瓶颈,如何在装配工艺和加工工艺一定的前提下进一步提高振镜电机产品的精度,成为了一个难题。
除了编码器对反射镜转动精度的影响,转轴在运动过程中的晃动也会对反射镜的转动精度产生影响。通常情况下,转轴在电机内的转动离不开轴承的配合,而轴承内部的滚珠和轨道的配合,存在一定的间隙。这就会导致转轴最后的实际转动存在一定的径向晃动,而这些晃动,同样会影响反射镜的转动精度。除了晃动,在不同温度,震动和环境的影响下,会使转轴的转动中心产生漂移,这些漂移,最终会导致反射镜的重复精度受到影响。
具体地,关于晃动问题,可参考图1,图1为光栅盘10与旋转中心同心度存在误差的示意图。图1中A点为理想的光栅盘10中心点和旋转中心,二者相重合,A’是因为组装或加工工艺导致的实际的旋转中心。当电机转动一个固定的角度θ(设25°)时,光学半径d为10mm,在理想情况下,光栅盘10绕理想旋转中心A旋转,则由编码器20读取到的弧长L由如下公式计算:
但是,在实际测量中,光栅盘10会绕同心度不同的A’点进行旋转,假设光学半径d1为12mm,则由编码器20读取到的弧长L1为:
由此可见,如果光栅盘10与旋转中心同心度存在误差的情况下,就会导致编码器20读出的距离不准,而继续按照理想的转动中心反推,就会导致最终测算电机转动角度存在较大偏差。
以及,关于漂移问题,可参考图2,图2为转动中心漂移误差发的示意图。假设在光栅盘10码道中心与转轴为理想的同心度情况下,理想的转动中心为A点,但由于轴承之间的配合存在缝隙,当因温度、震动等因素影响,导致实际的转动中心漂移到了A’点。那么电机在实际没有运动时,由于转动中心的漂移,导致编码器20的读数都有所变化。图中箭头Q是编码器20的读数增加方向。那么当转动中心由A漂移到A’时,编码器20读数会变小,会使位置反馈系统的数值产生漂移。
如图3和图4所示,本发明提供一种光栅盘的优选实施例。
一种光栅盘200,所述光栅盘200在不同直径位置上设有主光栅210和靠近主光栅210设置的零位光栅220,所述零位光栅220设有2N个,2N个所述零位光栅220以光栅盘中心201呈均匀角度分布;其中,N为正整数。以及,主光栅210和零位光栅220不重叠;以及,下文描述的刻痕的概念,涉及到距离、间距、宽度等词汇,均可视为刻痕中心之间的位移或者弧形路径距离,也可以为其他测量方式所得到的位移或距离。
其中,光栅盘200的形状通常为圆形但不仅限于圆形,例如光栅盘200可以设置成长方形,仅在摆动区域内设置刻痕,对于外部编码器读不到的区域,可以连同码道和基底一同去除,其中,基底为光栅盘200的本体,码道设置在基底上。以及,主光栅210和零位光栅220所构成环形或弧形结构是以光栅盘中心201为圆心设置的。
首先,提供光栅盘200的两种设计方案,方案一、所述光栅盘200包括玻璃主体,在玻璃主体上刻出大量的刻痕,刻痕为不透光部分,两刻痕之间的光滑部分可以透光;其中,刻痕可为金属镀膜或其他刻划痕迹。方案二、所述光栅盘200包括金属主体,金属主体的表面上刻出大量的刻痕,两刻痕间的光滑金属面可以反射光;其中,也可以在玻璃主体镀上金属层形成金属主体。
其次,提供主光栅210的优选方案,并参考图4。方案一、主光栅210包括在一环形区域内呈等宽等间距排列的多个刻痕,宽度间距的距离为栅距,通常为20um或40um,也可以认为是中线的弧形轨迹距离;这样,光栅盘200设置了一圈主光栅210,且主光栅210的圆心即为光栅盘中心201。方案二、主光栅210包括在弧形区域内呈等宽等间距排列的多个刻痕,与上述描述一致,只是呈弧形设置,优选可根据零位光栅220为中心诶之向两侧延伸设置。并且,所述弧形区域的长短,可取决于光栅盘的应用环境,即往返旋转的角度。
以及,提供零位光栅220的优选方案,并参考图5至图7。方案一、所述零位光栅220包括在一弧形区域内呈不等间隔排列的多个刻痕,即每一刻痕的宽度以及相邻刻痕之间的区域的宽度共同构建出一“编码”,只要改变刻痕的宽度或相邻区域的宽度,就能形成新的“编码”,其中,所述“编码”是反应零位光栅220的唯一识别码,是属于“编码”的身份证号码。参考图5,所述零位光栅220包括在一弧形区域内呈不等间隔排列的多个刻痕,同时,所述刻痕的宽度均相同;参考图6,所述零位光栅220包括在一弧形区域内呈不等间隔排列的多个刻痕,同时,所述刻痕的宽度为非全相等设置,即部分相等,或者全部不相等。
方案二、可参考图7,所述零位光栅220包括在一弧形区域内排列的多个刻痕,且所述刻痕的宽度为非全相等设置;这里存在两种可能,第一是各刻痕的间距相等,第二是各刻痕的间距不是全相等。
方案三、所述零位光栅220包括设置在不同直径位置上的第一零位光栅221和第二零位光栅222,通过第一零位光栅221和第二零位光栅222可以进一步优化后续编码器的定位精度,降低外部干扰。其中,所述第一零位光栅221和第二零位光栅222所采用的例子可参考上述方案一和方案二的例子。
在本实施例中,通过零位光栅220构建出一“编码”,可针对“编码”的设置问题进行各种可能性研究,由于本发明的光栅盘200优选应用在可实现往返运动且转动角度较小的特殊环境中,需要在一光栅盘200上设置不同的“编码”,防止光栅盘200的过渡转动。例如,部分或全部所述零位光栅220不相同,这里的不相同是指“编码”不同,优选为当N大于1时,相邻的零位光栅220的“编码”不同;再例如,全部所述零位光栅均相同,这里的相同是指“编码”相同,优选为当N等于1时,只存在两个零位光栅220,光栅盘200将零位光栅220旋转到对角,难度较大,并不需要采用不同的额“编码”方式。
对于需要继续提高编码器数量的情况,需要考虑电机实际的摆动角度与每个编码器实际工作角度的关系。如果电机摆动角度过大,会出现同一个零位光栅220可能在不同角度情况下出现在相邻的两个编码器上,对于这种情况需要更改每个或相邻两个零位光栅220的“编码”。
可参考图8,光栅盘200上设有4个零位光栅220,即N为2,且每一零位光栅220的夹角为90度,也可参考图9,光栅盘200上设有8个零位光栅220,即N为4,且每一零位光栅220的夹角为45度。
如图10所示,本发明提供反馈系统的优选实施例。
一种反馈系统,应用在一旋转主体上,包括光栅盘200、编码器400和处理单元500;其中,光栅盘200固设在旋转主体上,并且所述光栅盘200的中心(即光栅盘中心201)与旋转主体的转轴同轴设置,编码器400设置为2N个,2N个所述编码器400以光栅盘中心201呈均匀角度分布,并获取对应零位光栅220的位置以识别零位,以及获取主光栅210的位置变化以识别旋转角度;其中,N为正整数。
以及,当旋转主体准备运行旋转时,特别如振镜电机,所述振镜电机的转轴中心与光栅盘200的中心(即光栅盘中心201)同轴设置,因为振镜电机只能在一个角度内摆动,通常为±12.5°,那么振镜电机需要来回摆动转轴,带动光栅盘200在编码器400下方摆动并使编码器400分别找到自己的零位,然后编码器400才能开始正常工作,记录光栅盘200的转动角度。
具体地,当光栅盘200出现偏心时,同一组的两个编码器400的读数会出现一个大一个小的情况,经过平均后,光栅盘200实际的转动角度就会被补偿出来,从而修正单个编码器400造成的读数偏大或偏小的情况。以及,当转轴因外部原因导致旋转中心产生位移时,编码器400的读数,会产生一个读数增大,一个读数减小的情况,经过同组两个编码器400读数平均后,可以使最终的读数归零,从而大大减弱旋转中心偏移对结果产生的影响。
进一步地,所述编码器400的光电接收端设有零位窗口组,所述零位窗口组包括交替设置的透光窗口和不透光窗口,所述不透光窗口的位置与零位光栅的刻痕匹配。由于振镜电机具有只摆动不能旋转一周的特性,因此需要在每个编码器400安装的位置单独设置零位信号,以使每个编码器400上电后都能找到零位。当然,所述编码器400的光电接收端设有主光栅窗口组,同理所述主光栅窗口组也包括交替设置的透光窗口和不透光窗口,并且,透光窗口和不透光窗口为等宽设置。
其中,每个编码器400相对于光栅盘200的放置方向需保持一致,保证当光栅盘200沿某个方向转动时,所有编码器400的读数保持同向变化,即同时增加或同时减少。不可出现有增有减的情况。
其中,所述编码器400的零位窗口设置在零码道220的正上方/正下方。
在本实施例中,所述光栅盘200包括玻璃主体,在玻璃主体上刻出大量的刻痕,刻痕为不透光部分,两刻痕之间的光滑部分可以透光;其中,所述编码器400为透射式编码器400。所述光栅盘200包括金属主体,金属主体的表面上刻出大量的刻痕,两刻痕间的光滑金属面可以反射光;其中,所述编码器400为反射式编码器400。具体地,关于透射式编码器400,其由光源发出某个波段的平行光线,垂直透光后,被另一侧的光电接收器捕获,并最终形成干涉摩尔条纹并转化为电信号。关于反射式编码器400,其由光源发出某个波段的平行光线,以一定角度入射至光滑金属面后,被光滑金属面以一定的角度反射,并最终被处于光源同一侧的光电接收器捕获形成电信号。优选地,透射式编码器400的光源为发光二极管LED,反射式编码器400的光源为激光二极管LD。
在本实施例中,所述旋转主体为振镜电机的转轴。
在激光加工或光信号扫描的过程中,光线通过反射镜摆动改变传播方向并最终到达被处理或被探测物体表面,振镜电机编码器400安装的精度,编码器400光栅盘200及光电接收组件的加工生产工艺精度,电机转轴转动时产生的径向晃动和漂移,都会影响到反射镜的转动精度,而反射镜转动误差经过反射光程的进一步放大,就会导致加工光束或测量光束到达被处理物体表面的位置与预定位置产生明显偏差。
通过多编码器400共同工作,并重新设计振镜电机多编码专用光栅盘200,以确保摆动情况每个编码器400都能正确识别零位,再将编码器400按照特定位置放置于同一个光栅盘200上,辅以特定的算法,实现减小最终输出时的位置误差,减弱偏心,径向晃动漂移等方面的影响。
如图11所示,本发明提供信号处理电路的较佳实施例。
所述反馈系统还包括信号处理电路600,所述信号处理电路600包括依次设置的滤波模块610、采样模块620、运算模块630和信号输出模块640,所述滤波模块610与编码器400连接,所述处理单元500与信号输出模块640连接。
编码器400的输出信号可以为模拟正余弦信号,方波ABZ信号,脉冲信号,数字协议信号等。信号处理电路600内,将信号进行滤波,采样,运算后,再通过信号输出模块将最终的位置进行输出,输出的信号亦包含模拟,数字协议,方波ABZ等类型的信号,最终信号通过信号传输电缆输送至驱动器等后端处理设备。
其中,对于模拟量加和法,会将编码器400的输出量更改为模拟量,并严格控制编码器400装调精度,使所有编码器400所输出的信号相位相同,并对他们进行并联叠加,最终将所有组的编码器400同时输信号处理电路600,经过信号滤波,采集,并计算最终位置。
在本实施例中,信号处理电路600可为单独的电路板,也可以将其整合在编码器400的电路板中,也可以为整合驱动器的电路板;进一步地,作为信号处理电路600的信号处理电路板的算法可由单独的芯片进行计算,也可由外部电机驱动板的主控芯片计算,或者由编码器400内置的芯片完成计算。
例如,信号处理的方式包含数字式和模拟式。数字式平均即将所有编码器400读数相加并处以编码器400个数,获得平均值。模拟式平均需要严格控制同组编码器400安装位置,使编码器400的光电接收器获得的模拟正余弦信号相位相同,方向相同,可以完全形成叠加;最后将每组的叠加信号输入至信号处理电路600。
如图12和图13所示,本发明提供多个编码器的较佳实施例。
通常情况下布置一组或两组编码器400,每一组编码器400均为呈180度对称设的两个编码器400,也可以根据精度需要布置两组以上甚至更多编码器400。每组的两个编码器400夹角必须满足180°要求。若共有2N个编码器400,则各编码器400之间的夹角θ满足公式:
对于设置多个编码器400时,如果振镜的摆动角度大于360/4N的情况,可能会存在摆动范围内出现两个零位的风险。因此,还需要对应每个位置上的零位光栅220不同,以区分不同位置上的零位信号,防止摆动范围内出现多零位的问题。
如图14所示,本发明提供一种光栅盘的同心度误差补偿的较佳实施例。
图中A点为理想的光栅盘200中心点和旋转中心,正常情况二者相重合,A’是因为组装或加工工艺导致的实际的旋转中心。当振镜电机300转动一个固定的角度θ(设25°)时,光学半径d为10mm,当光栅盘200绕同心度不同的A’点进行旋转时,假设光学半径d1为12mm,则由编码器410读取到的弧长L1为:
而学半径d2为8mm,对角的编码器420测得的弧长L2为:
通过将L1与L2平均后,最终的弧长L’如下:
其中,在理想情况下,光栅盘200中心点和旋转中心重合,圆光栅200绕理想旋转中心A旋转,则由编码器读取到的弧长L由如下公式计算:
由此可见,对于振镜振镜电机300因光栅盘200同心度问题产生的误差,具有很好的抑制作用。
如图15所示,本发明提供一种光栅盘消减漂移误差的较佳实施例。
假设在光栅盘200码道中心与转轴为理想的同心度情况下,理想的转动中心为A点,但由于轴承之间的配合存在缝隙,当因温度、震动等因素影响,导致实际的转动中心漂移到了A’点。
若振镜电机300在实际没有运动时,由于转动中心的漂移,导致编码器410和编码器420的读数都有所变化。图中箭头Q1和Q2分别是编码器的读数增加方向。当转动中心由A漂移到A’时,编码器410读数会变小,编码器420读数会变大,因此当只装一个编码器时,就会使位置反馈系统的数值产生漂移。但将两个编码器(410、420)的数值平均,就会使得增大和减小的影响相互抵消,使最终的位置数据保持不变。这与呈直径方向特殊布置的两个编码器位置有关。
对于特定某一方向的漂移,只有与这个方向向量垂直的那组对角线的两个编码器可以起最大作用。因此,如果需要消除多个方向的漂移,就需要多组编码器进行支持。由于,振镜电机300运动的特殊性,其只在固定某个角度(常见为±12.5°)内不停摆动而不会整圈转动,因此最少一组两个编码器即可大致消减漂移误差。
以上所述者,仅为本发明最佳实施例而已,并非用于限制本发明的范围,凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰,皆为本发明所涵盖。
Claims (12)
1.一种光栅盘,所述光栅盘在不同直径位置上设有主光栅和靠近主光栅设置的零位光栅,其特征在于:所述零位光栅设有2N个,2N个所述零位光栅以光栅盘中心呈均匀角度分布;其中,N为正整数。
2.根据权利要求1所述的光栅盘,其特征在于:所述主光栅包括在一环形区域内/弧形区域内呈等宽等间距排列的多个刻痕。
3.根据权利要求1所述的光栅盘,其特征在于:所述零位光栅包括在一弧形区域内呈不等间隔排列的多个刻痕。
4.根据权利要求3所述的光栅盘,其特征在于:所述刻痕的宽度为非全相等设置。
5.根据权利要求1所述的光栅盘,其特征在于:所述零位光栅包括在一弧形区域内排列的多个刻痕,且所述刻痕的宽度为非全相等设置。
6.根据权利要求1至5任一所述的光栅盘,其特征在于:全部所述零位光栅均相同;或者,部分或全部所述零位光栅不相同。
7.根据权利要求1至5任一所述的光栅盘,其特征在于:所述零位光栅包括设置在不同直径位置上的第一零位光栅和第二零位光栅。
8.一种反馈系统,应用在一旋转主体上,其特征在于,包括:
固设在旋转主体上且如权利要求1-7任一所述的光栅盘,所述光栅盘的中心与旋转主体的转轴同轴设置;
2N个编码器,2N个所述编码器以光栅盘中心呈均匀角度分布,并获取对应零位光栅的位置以识别零位,以及获取主光栅的位置变化以识别旋转角度;其中,N为正整数;
处理单元,获取全部编码器反馈的零位,实现对应编码器的定位;获取全部编码器反馈的旋转角度,计算平均旋转角度以确认光栅盘的实际旋转角度。
9.根据权利要求8所述的反馈系统,其特征在于:所述编码器的光电接收端设有零位窗口组,所述零位窗口组包括交替设置的透光窗口和不透光窗口,所述不透光窗口的位置与零位光栅的刻痕匹配。
10.根据权利要求9所述的反馈系统,其特征在于:部分或全部所述零位光栅不相同,每一所述编码器均与一零位光栅配对。
11.根据权利要求8所述的反馈系统,其特征在于:所述反馈系统还包括信号处理电路,所述信号处理电路包括依次设置的滤波模块、采样模块、运算模块和信号输出模块,所述滤波模块与编码器连接,所述处理单元与信号输出模块连接。
12.根据权利要求8所述的反馈系统,其特征在于:所述旋转主体为振镜电机的转轴,所述振镜电机的转轴中心与光栅盘的中心同轴设置。
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